追日式全自动光伏水泵系统的设计及性能分析

【摘要】：太阳能光伏水泵为发展现代化农业、生态荒漠治理、无市电供应的偏远地区灌溉及畜牧供水提供良好的手段。本文从实际应用角度出发设计一款追日式全自动光伏水泵系统。对系统能量传递方案进行设计,通过小容量缓冲储能技术,解决光伏电池板发电功率波动的问题;设计二维追日机构跟踪太阳,确保太阳光垂直照射光伏电池板,提高单位面积光伏电池板的发电功率,并均衡早中晚光伏电池板的发电量;结合仿真软件对二维追日机构进行仿真分析及校核优化,作为该设计的有效补充,提高发电装置的性价比;研制样机并对其进行性能测试和经济性分析,为进一步开发不同系列的光伏水泵提供设计思路。本文主要从以下几个方面展开研究:(1)追日式全自动光伏水泵系统方案设计。对追日式全自动光伏水泵系统方案进行总体设计,提出三种不同结构的光伏水泵系统方案,结合层次分析法对各方案进行评价,选择出最优方案,并对该方案进一步研究分析。(2)二维追日机构设计。分析太阳运行规律,建立太阳运行轨迹的数学模型,确定二维追日机构的主要设计参数;对光电传感器进行优化设计,研究二维追日机构的跟踪控制策略;优化蓄电池充放电控制方法,确保系统恒功率稳定运行;设计二维追日机构,保证太阳光线始终垂直照射到光伏电池板上,提高单位面积光伏电池板的发电功率;分析二维追日机构受载情况,对驱动机构进行力学计算。(3)二维追日机构仿真分析。利用分析软件ANSYS Workbench对二维追日机构进行静强度分析校核;结合分析软件ADAMS对二维追日机构进行动态仿真,计算出追日机构在不同工况下的最大受力位置,并对其在该位置时进行强度校核。(4)二维追日机构优化设计。结合二维追日机构的静态与动态仿真分析结果,得出二维追日机构力学分布情况,运用ANSYS Workbench中的Design Exploration模块对二维追日机构关键零件结构进一步优化,改善其力学性能并减少材料使用。(5)样机研制及测试分析。根据优化结果及前期研究,对设计的追日式全自动光伏水泵系统进行样机研制,将本系统与固定式安装的光伏水泵系统进行对比实验,分析相关实验数据,比较两者的实际出水量及成本,进而对样机进行综合性价比分析。通过以上研究发现,追日式全自动光伏水泵系统尽管增加了追日装置,安装、维护相对复杂,其制造和维护成本是固定式光伏水泵的1.39倍,但其出水量提高了68%,其综合性价比提高20%左右。 【关键词】：追日式 光伏水泵 自动控制 仿真分析 优化设计 综合性价比
【学位授予单位】：集美大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH38
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 光伏水泵系统国内外研究现状11-13
• 1.3 本文研究意义13
• 1.4 主要研究内容13-15
• 第2章 追日式全自动光伏水泵系统方案15-25
• 2.1 追日式全自动光伏水泵系统的方案设计15-18
• 2.1.1 单立柱双轴跟踪光伏水泵系统15-16
• 2.1.2 双立柱二维追日光伏水泵系统16-17
• 2.1.3 水平回转式双轴跟踪光伏水泵系统17-18
• 2.2 系统方案的层次分析法评价18-23
• 2.2.1 层次分析法介绍18-21
• 2.2.2 系统设计方案评价优选21-23
• 2.3 双立柱二维追日光伏水泵系统设计23-24
• 2.4 小结24-25
• 第3章 二维追日机构设计25-47
• 3.1 太阳运行跟踪模型25-28
• 3.1.1 太阳运行轨迹数学模型25-26
• 3.1.2 二维追日机构跟踪范围26-28
• 3.2 系统主要技术参数28-29
• 3.3 跟踪控制策略29-32
• 3.3.1 光电传感器设计29-31
• 3.3.2 二维跟踪控制方法31-32
• 3.4 充放电控制方法32-35
• 3.5 追日机构的结构设计35-41
• 3.5.1 方位角跟踪机构设计35-38
• 3.5.2 高度角跟踪机构设计38-41
• 3.6 追日机构受载分析41-43
• 3.6.1 风载计算41-42
• 3.6.2 风载工况分析42-43
• 3.7 驱动机构的力学分析43-46
• 3.7.1 方位角传动分析44
• 3.7.2 高度角传动分析44-46
• 3.8 小结46-47
• 第4章 二维追日机构的强度仿真分析47-58
• 4.1 仿真分析应用软件简介47-48
• 4.1.1 静态分析软件ANSYS Workbench47
• 4.1.2 动态分析软件ADAMS47-48
• 4.2 二维追日机构有限元静力分析48-53
• 4.2.1 有限元实体模型构建48-49
• 4.2.2 材料属性赋予49-50
• 4.2.3 有限元模型网格划分50-51
• 4.2.4 载荷施加及边界条件51-52
• 4.2.5 数值仿真计算及结果分析52-53
• 4.3 二维追日机构的动态仿真分析53-57
• 4.3.1 构建二维追日机构ADAMS仿真模型53
• 4.3.2 定义材料属性及约束条件53-54
• 4.3.3 动力学仿真及分析54-57
• 4.4 小结57-58
• 第5章 二维追日机构的优化设计58-65
• 5.1 基于Design Exploration的优化设计分析58-63
• 5.1.1 方位角传动轴尺寸优化设计59-60
• 5.1.2 方位角主轴钢管单因素优化设计60-61
• 5.1.3 传动轴连接组件优化设计61-63
• 5.2 综合目标优化设计分析63
• 5.3 二维追日机构优化后静强度校核63-64
• 5.4 二维追日机构优化前后对比64
• 5.5 小结64-65
• 第6章 样机研制与性能测试分析65-69
• 6.1 样机研制65-66
• 6.2 样机性能测试分析66-68
• 6.2.1 测试条件66
• 6.2.2 测试结果与分析66-68
• 6.2.3 样机经济性分析68
• 6.3 小结68-69
• 第7章 结论与展望69-71
• 7.1 结论69-70
• 7.2 今后研究工作展望70-71
• 致谢71-72
• 参考文献72-75
• 在学期间发表的学术论文75
• 在学期间申请的专利75
• 在学期间参加的科研项目75

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